CAPTEURS ET SYSTÈMES DE MESURE DANS LES MATÉRIAUX

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Tiphaine St-Gelais
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1 CAPTEURS ET SYSTÈMES DE MESURE DANS LES MATÉRIAUX Matinée thématique Jean-Benoît Pierrot, CEA région 19 NOVEMBRE 2014

2 INTRODUCTION Matériaux souples Capteurs et systèmes de capteurs intégrés aux matériaux Boites à outils et exemples d applications PAGE 2

3 DEFINITION : CAPTEUR & SYSTÈME DE MESURE Full Gaz analysis solution Physical MEMS sensors Electromagnetic sensor Energy harvesting solutions (solar, vibration, heat, ) Master the calibration and drift issues - Specific embedded algorithms Acoustic solutions Fiber optics Sensors Data reduction and decisionmaking Sensors systems, (i.e. Morphosense) Le Système de Mesure Modeling for optimization and interpretation ASIC for wire diagnosis Extract valuable information: Kalman filters, bayesian algorithms Phased Array UT Real time processing Long range medium speed communication, high autonomy Short range high speed communication Security certification Trusted computing Low power security protocols PAGE 3

Système de Mesure Modeling for optimization and interpretation ASIC for wire diagnosis Extract valuable information: Kalman filters, bayesian algorithms Phased Array UT Real

4 DEFINITION : CAPTEUR & SYSTÈME DE MESURE Objectif : Système de mesure monolithique ou fragmenté Quel nœud élémentaire? Capteurs mesures directes ou indirectes Communication - filaire ou sans fil Energie Filaire, batterie, récupération d énergie (autonomie) Traitement du signal/de l information - Analyse des données en local Packaging adapté (résiste aux contraintes, assure interface avec environnement à mesurer, ). Packaging Traitement Information Processeur Mémoire Communication Transceivers Antennes noeud noeud Energie Stockage Récupération Capteurs Actuateurs noeud noeud Environnement PAGE 4

du signal/de l information - Analyse des données en local Packaging adapté (résiste aux contraintes, assure interface avec environnement à mesurer, ).

5 EXEMPLES ET OUTILS Syste de œudscapteurs Textie Eectrique supe Axe -c Quoi.. Comment.. Application afis pie 2µm 5

) Nœud élémentaire Traitement/Communication : Intégration puce RFID dans matériau et durée de vie Capteur

6 APPLICATION TUYAU Application : Maintenance de canalisations enfouies. Localisation. Problématiques Communication et transfert énergétique possible à travers le sol (taux humidité élevé, hétérogénéité ) Nœud élémentaire Traitement/Communication : Intégration puce RFID dans matériau et durée de vie Capteur (localisation)/communication : Une antenne sur support souple (adapté à la courbure du tuyau) Packaging : intégré dans le process de fabrication du tuyau PAGE 6

7 APPLICATION DE MESURE DE DÉFORMATION Application générique : Mesure de déformation d une structure et sur différent type d échelle (petit, moyen, grand) temps réel Linéaire Surfacique Propriétés Capacité de restitution des courbures 2D / surfaces 3D Précision à 10-3 sur le rayon de courbure (1mm pour Rc=1m) PAGE 7

grand) temps réel Linéaire Surfacique Propriétés Capacité de restitution des

8 APPLICATION DÉFORMATION - RISER Problématiques Nœud Capteurs : accéléromètres/magnétomètres MEMS Communication/Energie : filaire (noyé dans gaine) Packaging : collage/sertissage (futur=intégré) Réseau de capteurs répartis / immergés Système centralisé Traitement information Mesure de la courbure, restitution de la forme PAGE 8

gaine) Packaging : collage/sertissage (futur=intégré) Réseau de capteurs répartis

9 LE TEXTILE Objectif : Intégration d électronique dans le textile Quelles fonctions (dont capteurs) & applications RFID: traçabilité, anti-vol, anti-contrefaçon. RFID-UHF ( MHz): portée de lecture de 5-10 m. PAGE 9

10 LE TEXTILE Objectif : Intégration d électronique dans le textile Quelles fonctions (dont capteurs) & applications RFID: traçabilité, anti-vol, anti-contrefaçon. RFID-UHF ( MHz): portée de lecture de 5-10 m. Capteurs: Mesure de l activité physique et de paramètres physiologiques. Applications en santé, bien-être, sports, loisirs, professionnel (surveillance en environnement dangereux). IHM: applications professionnelles, jeux. Thalmic Labs Inc. PAGE 10

Capteurs: Mesure de l activité physique et de paramètres physiologiques.

11 LE TEXTILE Objectif : Intégration d électronique dans le textile Quelles fonctions (dont capteurs) & applications RFID: traçabilité, anti-vol, anti-contrefaçon. RFID-UHF ( MHz): portée de lecture de 5-10 m. Capteurs: Mesure de l activité physique et de paramètres physiologiques. Applications en santé, bien-être, sports, loisirs, professionnel (surveillance en environnement dangereux). IHM: applications professionnelles, jeux. LED: affichages Décoration. PAGE 11

12 CONNECTIQUE ET COMMUNICATION Integration de conducteurs et d antennes dans le textile. Etiquettes cousues Feuilles métalliques Fibre métallisée Fil métallique Etat de l art industriel Verrou: connectique et packaging de l électronique E-fiber Ohio State Univ. PAGE 12

Etiquettes cousues Feuilles métalliques Fibre métallisée Fil

13 COMMENT Technologie E-Thread (Diabolo) Caractéristiques: Connexion directe fil-circuit. Connexion électrique et mécanique robuste Protection du circuit par un capot verre ou silicium Avantages: Dimensions minimales (~dimensions du circuit) Structure quasi monodimensionnelle Fil Capot Circuit PAGE 13

Connexion électrique et mécanique robuste Protection du circuit par un

14 COMMENT Procédé Composants: Wafer Capot Wafer Actif Fils Etapes: Rainurage Dépotde Colle Assemblage Insertion PAGE 14

15 COMMENT Fils Conducteurs Wafer Capot Etape 1 : assemblage diabolo Fibre porteuse, Enrobage Etape 2 : Connection Etape 3 : Conditionnement Wafer Actif Wafer de puces Diabolo scié Bobine de Diabolo Connectés Bobine de Diabolo Dédiés PAGE 15

3 : Conditionnement Wafer Actif Wafer de puces Diabolo scié

16 POUR ALLER JUSQU AU TISSU-SYSTÈME PAGE 16

17 L ELECTRONIQUE FLEXIBLE IMPRIMÉE Utilisation de matériaux organiques ayant des performances électriques, électroniques, optoélectroniques pour réaliser des composants électroniques Change radicalement le modèle de l électronique classique Si Chimie organique ingénierie des performances des matériaux Formulation d encre développement de procédé en voie liquide Procédés d Impression à faible budget thermique substrats flexibles de grande dimension plastique, papier Nouveaux acteurs industriels : imprimeur, plasturgiste, papetier, textile PAGE 17

performances des matériaux Formulation d encre développement de procédé en voie liquide Procédés d Impression à faible budget thermique

filtre RF Circuit logique (transistors) Mémoire ferroélectrique

18 LE PORTFOLIO DES COMPOSANTS DEVELOPPÉS Capteurs et matrices de capteurs Température Piézo Pyro Photodiode Fonctions logiques R,L C filtre RF Circuit logique (transistors) Mémoire ferroélectrique Afficheurs OLED par voie d impression Energie Batteries Organic Photovoltaics OPV PAGE 18

19 SYSTÈMES SUR FEUILLE Intégration Hybride de plusieurs fonctions sur Flex La rencontre de plusieurs mondes PCB Flex Batterie OPV (Organic PhotoVoltaic) Chip Si Si aminci Composants imprimés PAGE 19

20 DEVELOPPEMENT DE TECHNOLOGIES D INTEGRATION Interconnexion feuille à feuille Matrice active de transistors connectée à une matrice de capteurs Connexion composant imprimé et PCB Flex Interconnexion Silicium sur PEN Intégration carton Moulage plastique sur feuille composant imprimé PAGE 20

capteurs Connexion composant imprimé et PCB Flex Interconnexion Silicium

21 UN ENSEMBLE DE COMPÉTENCES ET D OUTILS Slot die coating Excimer laser Spincoating, Sputtering Plasma Sérigraphie semi auto Electronique Spray US Ligne Sérigraphie automatisée Jet d encre Héilogravure 21

22 MATÉRIAU SENSIBLE NANOFILS PIEZO Objectif: Réaliser des capteurs mécaniques de force/position avec une bonne sensibilité Analogie et applications Main et toucher artificiel Mini joystick Capteurs proprioceptifs intégrés aux prothèses Reconnaissance de texture/état de surface PAGE 22

23 NANOFILS PIEZO Objectif: Réaliser des capteurs mécaniques de force/position avec une bonne sensibilité Un existant : le capteur clou z x 4 1 F z 3 F 2 y F x θ Fy F xy Miniaturisation Robustesse Matriciel + souple PAGE 23

24 ENVIRONNEMENT Technologie Défense Sécurité Direction des Applications Militaires Direction Générale du CEA Energie Nucléaire Direction de l Energie Nucléaire Technologies Clés Génériques Direction de la Recherche Technologique > techniciens, ingénieurs, chercheurs ~ 150 start-up depuis 1984 (technologies innovantes) 45 Unités mixtes de recherche (UMR) 10 centres de recherche, 25 labos de recherche 4,3 Mds de budget 5 rgis Science Recherche fondamentale Direction des Sciences de la Matière Direction des Sciences du Vivant Mission DAM: indépendance stratégique de la France Mission DEN: indépendance énergétique de la France Mission DRT: ré-industrialisation de la France par l innovation PAGE 24

25 MERCI PAGE 25

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